JDK 源码解析 —— AtomicInteger

2018-05-26 本文已影响23人 01_小小鱼_01

java.util.concurrent.atomic包里面的类主要是用于在高并发环境下的高效程序处理,来帮助我们简化同步处理。

AtomicInteger是一个提供原子操作的Integer类，在Java语言中，++i和i++操作并不是线程安全的，在使用的时候，不可避免的会用到synchronized关键字。而AtomicInteger则通过一种线程安全的加减操作接口，使用AtomicInteger是非常的安全的.而且因为AtomicInteger由硬件提供原子操作指令实现的。在非激烈竞争的情况下，开销更小，速度更快。
使用实例:

class TestAtomicInteger {
        private AtomicInteger count = new AtomicInteger(1);

        public void increment() {
                  count.incrementAndGet();
        }

        //不需要加锁也实现线程安全。
       public int getCount() {
                return count.get();
        }
}

首先，让我们来看看AtomicInteger的源代码

// 继承了 Number， 这主要是提供方法将数值转化为 byte, double, long等基本数据类型。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable  {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
    // volatile 关键字修饰， 使 value 变量的改变具有可见性， 
    // 底层实现是内存栅栏，保证每次取到的是最新值。
    private volatile int value;

    public final int get() {  
        return value;  
    }  

    public final int getAndDecrement() {  
        // 可以看到 for 是一个死循环， 是采用忙等（也叫自旋）的方式
        // 不断地尝试（乐观锁）－1 操作， 直到成功才退出。 
        for (;;) {  
            int current = get();  
            int next = current - 1;  
            if (compareAndSet(current, next))  
                return current;  
        }  
    }  

    // 利用 JNI 调用底层其他语言实现的方法， 
    // 利用操作系统提供的 CAS（只要当前值和原来不一致就重新取值直到成功） 来保证原子性。
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
    }  
}

在这里有必要提一下CAS的操作：CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。

CAS 的缺点

ABA问题。因为 CAS 需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。
循环时间长开销大。自旋 CAS 如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的 pause 指令那么效率会有一定的提升，pause 指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使 CPU 不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation：内存顺序冲突一般是由伪/假共享引起，假共享是指多个 CPU 同时修改同一个缓存行的不同部分而引起其中一个CPU的操作无效，当出现这个内存顺序冲突时，CPU必须清空流水线）而引起 CPU 流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高 CPU 的执行效率。
只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

参考博客
1. CAS操作
 2. Java中CAS详解

JDK 源码解析 —— AtomicInteger

CAS 的缺点

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